TD-SCDMA終端測(cè)試儀中ADC/DAC和射頻模塊的設(shè)計(jì)

　　引言

　　TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模發(fā)展迅速。隨著3G牌照發(fā)放日益臨近，擺在終端制造商面前的難題是如何盡快提供好的手機(jī)，所以，對(duì)終端的性能測(cè)試迫在眉睫。

　　TD-SCDMA終端測(cè)試儀提供了解決方案。它的主要功能是測(cè)試生產(chǎn)線上每臺(tái)終端能否支持特定的業(yè)務(wù)。TD-SCDMA終端測(cè)試儀的實(shí)現(xiàn)十分復(fù)雜，它必須實(shí)現(xiàn)3GPP空中接口中物理層、部分MAC、RLC和RRC層功能，以及模擬部分CS域或PS域核心網(wǎng)功能。物理層的主要功能是完成3GPP協(xié)議25.221～25.224規(guī)定的功能，包括傳輸信道向物理信道映射、編碼與復(fù)用、調(diào)制和擴(kuò)頻，以及物理層過(guò)程。不同于一般NodeB的物理層，終端綜合測(cè)試儀的物理層還要完成射頻數(shù)據(jù)采集任務(wù)，它是測(cè)量算法測(cè)試終端射頻指標(biāo)的依據(jù)。

　　而測(cè)試儀對(duì)ADC/DAC和射頻模塊進(jìn)行控制，保證測(cè)試儀穩(wěn)定可靠地進(jìn)行射頻數(shù)據(jù)采集，是設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

　　終端測(cè)試儀簡(jiǎn)介

　　基于軟件無(wú)線電技術(shù)的數(shù)字化TD-SCDMA終端測(cè)試儀，是由RF器件、ADC/DAC、大容量FPGA和高速DSP構(gòu)成的具有高度靈活性、開放性的通信系統(tǒng)，各種相關(guān)的通信任務(wù)都能夠用軟件完成。其中，主處理器由ARM核+DSP+FPGA 構(gòu)成。為了和已有系統(tǒng)兼容，ARM+DSP 擬采用一個(gè)OMAP1612。開放式多媒體應(yīng)用平臺(tái)(OMAP)處理器內(nèi)含一個(gè)增強(qiáng)型ARM處理器(ARM925)和低功耗定點(diǎn)DSP(TMS320C55x)。設(shè)計(jì)這一雙核心組件的目的就是為了有效地處理多媒體和MMI應(yīng)用。

　　由圖1所示，在終端測(cè)試儀中，RF模塊外接天線以完成模擬信號(hào)的接收和發(fā)送;ADC/DAC完成模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換;ARM作為主控制器，完成與微機(jī)接口，處理通信協(xié)議和其它相關(guān)的應(yīng)用協(xié)議，協(xié)調(diào)并控制各個(gè)處理器之間、外設(shè)接口之間的工作等;FPGA芯片完成并行處理、數(shù)據(jù)量大、重復(fù)性強(qiáng)、速度要求高的數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算;而DSP芯片處理系統(tǒng)控制和配置功能，充分發(fā)揮其尋址方式靈活、通信機(jī)制強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)。從DSP的角度來(lái)看，F(xiàn)PGA相當(dāng)于它的協(xié)處理器;DSP通過(guò)本地總線對(duì)FPGA進(jìn)行配置、參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)軟硬件之間的協(xié)同處理。

圖1 TD-SCDMA終端測(cè)試儀模型

　　芯片介紹與接口連接

　　本方案采用MAX2392和MAX2507 RF芯片。

　　射頻接收單元MAX2392接收器內(nèi)部包括：RF LNA、直接轉(zhuǎn)換混頻器、用于TD-SCDMA信道濾波的基帶濾波器和AGC放大器。該芯片還集成了VCO及合成器，這一單芯片方案可大大降低成本，減小系統(tǒng)尺寸，元件數(shù)量比超外差方案減少50%。從天線接收的信號(hào)經(jīng)過(guò)雙工器后，先通過(guò)頻帶選擇濾波器選擇有用的頻帶信號(hào)，微弱的信號(hào)經(jīng)過(guò)LNA放大后，通過(guò)I/Q解調(diào)器變成模擬基帶I/Q信號(hào)，模擬基帶I/Q信號(hào)經(jīng)過(guò)信道濾波的低通濾波器和ACG放大器后，送至模擬前端，完成對(duì)基帶I/Q信號(hào)的數(shù)字化處理。而該芯片具有90dB以上的增益控制，接收下限靈敏度能達(dá)到-112dBm，滿足終端測(cè)試儀的要求。

　　射頻發(fā)射單元MAX2507是一款集成了功率放大器，并能滿足TD-SCDMA指標(biāo)要求的直接轉(zhuǎn)換發(fā)送器。它集成了I/Q調(diào)制器、 PLL、VCO、AGC放大器和功率放大器。模擬基帶I/Q信號(hào)經(jīng)過(guò)正交調(diào)制后，完成基帶信號(hào)到頻帶信號(hào)的直接轉(zhuǎn)換，并通過(guò)AGC放大器進(jìn)行放大，放大后的頻帶信號(hào)經(jīng)過(guò)片外帶通濾波器濾除帶外的無(wú)用信號(hào)分量后，再經(jīng)過(guò)功率放大器、雙工器，并最終通過(guò)天線發(fā)射出去。片外帶通濾波器可以大大降低發(fā)射機(jī)對(duì)相鄰信道的干擾，提高發(fā)射機(jī)的ACRP指標(biāo)。

　　ABB模塊使用MAX19700, MAX19700系列基帶轉(zhuǎn)換器是超低功耗、混合信號(hào)模擬前端(AFE)，專為TD-SCDMA手機(jī)和數(shù)據(jù)卡設(shè)計(jì)，能夠以極低的功耗提供出色的動(dòng)態(tài)特性。MAX19700集成了一個(gè)大規(guī)模陣列：雙10位、11Msps接收ADC和雙10位、11Msps發(fā)送DAC，帶有TD-SCDMA低通Tx濾波器。AVDD=+3V、OVDD=+1.8V，F(xiàn)clk=5.12Msps時(shí)，典型功耗為38mW。另外，該芯片還集成了3個(gè)12位控制DAC，用于快速建立AFC、AGC和APC。

　　在該移動(dòng)終端上的射頻模塊可以完成一路信號(hào)在同一時(shí)刻的收發(fā)工作，當(dāng)然也可以完成更多時(shí)隙信號(hào)的順序收發(fā)?；鶐ㄟ^(guò)對(duì)MAX19700進(jìn)行控制，完成A/D、D/A采樣。其中A/D、D/A轉(zhuǎn)換和RF控制由OMAP1612平臺(tái)的3線SPI串口通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)，包括串口使能和芯片寄存器設(shè)置。而RF芯片和ADC/DAC的片選以及MAX19700的收發(fā)選擇是由OMAP1612平臺(tái)的GPIO功能通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)。接口的連接如圖2所示。

圖2 終端測(cè)試儀基帶與RF接口設(shè)計(jì)

　　模塊的控制過(guò)程

　　通過(guò)編寫DSP驅(qū)動(dòng)程序可實(shí)現(xiàn)對(duì)RF模塊和ADC/DAC的控制。先對(duì)RF模塊和ADC/DAC進(jìn)行初始化配置，然后編寫控制子程序給高層或物理層提供接口，最終由高層或物理層軟件給子程序提供參數(shù)，實(shí)現(xiàn)模塊的控制功能。

　　首先設(shè)置SPI接口，并編寫SPIWrite子程序，以供需要使用SPI串口發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)調(diào)用。然后設(shè)置GPIO，控制OMAP1612的GPIO引腳輸出，以進(jìn)行對(duì)各個(gè)器件的上電使能、MAX19700的收發(fā)選擇等。

　　在SPI接口和GPIO引腳的初始化設(shè)置完成以后，就可以對(duì)MAX2507、MAX2392、MAX19700器件的初始化參數(shù)AFC、AGC、APC的初始化值進(jìn)行設(shè)置。

　　通過(guò)設(shè)置MAX2507的OPCTRL寄存器，使芯片的PLL打開并采用frac-N模式，F(xiàn)com= 13MHz。 設(shè)置SYNTH和FRAC寄存器，使發(fā)射載波頻率初始為2010.8MHz。

　　通過(guò)設(shè)置MAX2392的OPCTRL寄存器，使芯片處于ON狀態(tài)(非空閑和非關(guān)閉狀態(tài))，共模電壓設(shè)為1.42V，設(shè)置CONFIG寄存器，打開片上LNA、VCO和內(nèi)部電路。設(shè)置RFM和RFR寄存器，使接收載波頻率初始為2010.8MHz。

　　通過(guò)設(shè)置MAX19700的ENABLE-16寄存器,使芯片處于ON狀態(tài)，打開所有輔助DAC通道，收發(fā)慢交換并初始為接收模式，滿量程設(shè)為820mVP-P。設(shè)置COMSEL寄存器，使發(fā)送通道輸出共模電壓為1.4V。設(shè)置IOFFSET和QOFFSET寄存器，使通道I和Q的失調(diào)控制電壓為0mV。設(shè)置Aux-DAC1、 Aux-DAC2 和 Aux-DAC3寄存器，使AFC、AGC和APC的初始輸出電壓分別為1.5V、1.8V和0.6V。

　　初始化設(shè)置完成后，根據(jù)信號(hào)收發(fā)的實(shí)時(shí)環(huán)境，由高層提供的參數(shù)調(diào)用子程序，實(shí)現(xiàn)頻點(diǎn)的選擇、自動(dòng)頻率的控制、接收信號(hào)自動(dòng)增益的控制，以及發(fā)送信號(hào)自動(dòng)功率的控制。

　　子程序的控制流程如下：

　　B-ctrlRF：頻點(diǎn)選擇子程序，參數(shù)為RFN=當(dāng)前頻點(diǎn)號(hào)，使當(dāng)前頻點(diǎn)的頻率為F=0.2RFN,單位是MHz，故當(dāng)RFN改變一個(gè)單位，頻率改變0.2MHz。設(shè)置基頻點(diǎn)號(hào)為10054，故基頻就為2010.8MHz。流程如圖3所示。

圖3 頻點(diǎn)選擇流程圖

　　B-ctrlAFC：自動(dòng)頻率控制子程序，在某一基頻點(diǎn)附近進(jìn)行自動(dòng)頻率控制，參數(shù)N為步長(zhǎng)，每步改變16Hz，如果步長(zhǎng)超出范圍，則子程序的返回值是0。流程如圖4所示。

圖4 自動(dòng)頻率控制流程圖

　　B-ctrlAGC：自動(dòng)增益控制子程序，參數(shù)N為自動(dòng)增益等級(jí)，N在0~90之間。流程如圖5所示。

圖5 自動(dòng)增益控制流程圖

　　B-ctrAPC：自動(dòng)功率控制子程序，參數(shù)N為開環(huán)時(shí)的功率等級(jí)，N在0~74之間，若N超過(guò)上限，則給子程序返回1，若N超過(guò)下限，則給子程序返回2，正常則返回0。

　　由“TSM05.05 10.9 UE Transmitted Power ”的規(guī)定，發(fā)射功率的范圍是-50dBm~+24dBm,其發(fā)射功率參數(shù)N步長(zhǎng)1dB定義如下：

　　UE_TX_POWER_00:-50dBm =UE Transmitted power-49dBm

　　UE_TX_POWER_01:-49dBm =UE Transmitted power-48dBm

　　UE_TX_POWER_02:-48dBm =UE Transmitted power-47dBm

　　………………

　　………………

　　UE_TX_POWER_74:24dBm=UE Transmitted power25dBm

　　流程如圖6所示。

圖6 自動(dòng)功率控制流程圖

　　結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)對(duì)RF器件和ADC/DAC的寄存器寫入和部分引腳的控制，根據(jù)3GPP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了對(duì)終端測(cè)試儀載波頻點(diǎn)的選擇。AFC、AGC和APC控制子程序中參數(shù)的定義、參數(shù)范圍的選擇及步長(zhǎng)的定義給高層提供了接口，從而可根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境信號(hào)量的大小調(diào)整參數(shù)，順利實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)。

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